空间结构耦合模态控制及实验研究

智能结构以主动元件为传感器和驱动器,根据结构的动态响应和控制要求,自适应地改变结构的动态性能,实现结构特性的自调节功能,以增强结构适应于外界环境变化的能力.结构振动主动控制方法中常用的模态空间控制方法,就是将系统方程转化到模态坐标下,从而得到内部解耦的以模态坐标表示的方程组,然后根据一定的控制方法,计算出模态控制力,实现实时控制.该方法计算简单,效率高,能满足实时控制的需要.本文根据一个三层智能结构主动控制实验,介绍了耦合模态控制理论及实现方法,设计并阐述了压电主元杆件的工作原理,根据Riccati方程得到了主元杆件的最优布置.通过对实验数据运用五点滑动平均平滑法进行处理分析及频谱分析可以看到,智能结构通过主动控制,对相应的控制模态位移及加速度有很大的抑制作用,对应的模态阻尼系数得到了不同程度的提高.     

压电叠堆泵及混合驱动器的设计

压电叠堆泵是一种以压电叠堆作为驱动元件的小型泵.压电叠堆本身输出力大且响应快,但自身变形极小无法满足同时需要高驱动力和大位移的场合.为了解决这个问题,人们提出了一种液压传动和压电驱动技术相结合的压电叠堆泵驱动器的混合驱动系统,以期获得较大的运动行程和驱动力,将压电泵输出与液压缸相连便组成了一个基本的混合驱动器.以此压电叠堆泵作核心的混合驱动器有望被应用在飞机自适应后缘结构和无人飞行器的操作舵面上.介绍了压电叠堆泵及混合驱动器的设计和性能测试,分析了泵的腔体、薄膜厚度、活塞直径、单向阀类型对流量、输出压力、液压缸的力输出的影响.加工的实验样机在0～200 Hz的工作频率范围内完成测试,泵的最大输出流量350 ml/min,最大输出压力为500 kPa.使用φ16 mm液压缸直线驱动器的最大输出力95 N,最大伸长速度19 mm/s.     

基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器逆转现象分析

在压电陶瓷等效电学模型的基础上,结合外加驱动信号波形分析了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器在工作过程中金属球产生逆转现象的原因,建立了金属球的转速及位移模型,采用快速放电回路和加速压电陶瓷放电的方法减小金属球的逆转位移及振动;利用压电陶瓷管作为微驱动元件,设计了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器,并采用不同频率的三角波信号对所设计微驱动器进行试验测试.结果表明:驱动信号频率越高,微驱动器的振动现象越明显;当驱动信号频率接近、等于或大于微驱动元件(压电陶瓷管)的固有放电周期时,金属球出现无规律运动,导致微驱动器失效;根据1 Hz低频信号时的试验结果与计算所得结果基本吻合,证明了所建立的逆转理论模型的合理性.     

紧凑型压电加速度计及其在矢量水听器中的应用

同振式矢量水听器的灵敏度和频率上限受其所采用的加速度传感器的尺寸和质量制约。为了提高矢量水听器的声学性能,设计了一种紧凑型三轴压电加速度计。首先,分析了矢量水听器密度和尺寸对其声学性能的影响;其次,采用剪切式结构设计了压电加速度计,其尺寸为25×25×17 mm3,质量为49.2 g,灵敏度约为2842 mV/g@500 Hz,工作频段为10 Hz～3000 Hz,最大横向灵敏度比小于3%。最后,将其应用在球形矢量水听器中进行了测试,测试结果表明,设计的压电加速度计较双压电片加速度计,体积减小了8倍,质量减小了5倍,灵敏度提高了2倍,工作频段提高了1.2倍,适合应用在同振式矢量水听器中。     

含压电片层合壳的有限元分析与控制仿真

本文首先针对含压电材料的一般结构，推导了按位移和电位移求解时的混合变分原理，在此基础上，通过对面电荷取变分，直接得到了含按电压驱动压电片层合壳的有限元方程，最后给出了利用压电片进行静变形和振动控制的仿真算例，并进行了分析。结果表明，本文建立的有限元方程准确、可靠。     

智能结构梁传递驱动模型

基于结性应变假设,提出了考虑粘贴层影响的智能结构梁分布模型。通过对双面粘压电驱动器的智能结构梁的数值模拟,得到了应变分布假设对压电驱动顺驱动性能影响的规律。结果表明：忽略粘贴层的影响,将过高地估计压电片产生的驱动力;考虑粘贴层影响的智能结构梁分布力模型更符合实际情况,具有广泛的普遍性。     

金字塔点阵圆筒结构轴向弹性波传递特性研究

点阵结构的周期和多孔特征使其相较于普通的实体结构具有轻质、耐冲击、减振降噪和高比强度等优势, 在航空航天和船舰等领域具有十分广泛的应用前景. 本文以金字塔点阵圆筒结构为对象, 根据单胞的宽、高和阵列的个数等独立的结构参数进行参数化建模, 并利用商用有限元软件计算了点阵圆筒结构轴向振动特性. 通过无量纲手段针对归一化频率和相对带宽, 系统研究了单胞的宽、高以及杆件直径等关键参数对减振效果的影响. 根据参数分析的结果, 设计了一种具有低频宽带减振性能的金字塔点阵圆筒结构. 使用增材制造技术制作了样件, 并进行了振动测试实验, 结果表明, 实验和有限元模拟的结果基本一致, 在500~1500 Hz范围内, 结构表现出明显的减振效果, 平均的衰减强度达到了50 dB左右.      

基于LQG最优控制法的压电智能结构独立模态空间控制

采用压电材料作为传感器和驱动器对智能结构振动主动控制进行研究,基于机电耦合的压电智能结构传感和驱动方程,将振动控制动力学方程变换到模态空间对方程进行解耦。通过计算结构最大应变,确定压电元件的最佳粘贴位置。考虑到系统过程噪声和量测噪声的影响,设计Kalman滤波器,采用基于线性二次型高斯(LQG)最优控制的独立模态空间控制方法对压电智能结构的振动进行控制。最后以压电智能悬臂梁为例进行控制仿真,验证了此方法的有效性。     

基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制研究

本文主要研究了基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制方法并分析了控制力时滞对控制效果的影响规律。首先,对压电叠堆惯性作动器的动力学特性进行分析,建立了考虑惯性作动器动力学的主结构的随机动力学模型;接着,提出主结构随机振动"线性"二次高斯控制(linear quadratic Gaussian,LQG)方法,并探讨了作动器惯性质量和刚度等对控制效果的影响规律;最后,研究了控制力时滞对控制效果的影响,并提出了利用时滞优化控制效果的方法。研究结果表明,压电叠堆惯性作动器对结构的随机振动具有较好的控制效果,当控制时滞时间τ=0.025 s时控制效果可以得到进一步优化。     

STOCHASTIC VIBRATION CONTROL BASED ON PIEZOELECTRIC STACK INERTIAL ACTUATOR1)

本文主要研究了基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制方法并分析了控制力时滞对控制效果的影响规律。首先,对压电叠堆惯性作动器的动力学特性进行分析,建立了考虑惯性作动器动力学的主结构的随机动力学模型;接着,提出主结构随机振动 "线性"二次高斯控制(linear quadratic Gaussian,LQG)方法,并探讨了作动器惯性质量和刚度等对控制效果的影响规律;最后,研究了控制力时滞对控制效果的影响,并提出了利用时滞优化控制效果的方法。研究结果表明,压电叠堆惯性作动器对结构的随机振动具有较好的控制效果,当控制时滞时间$\tau = 0.025$s时控制效果可以得到进一步优化。     

A comparative study of piezoelectric unimorph and multilayer actuators as stiffness sensors via contact resonance

Piezoelectric bar-shaped resonators were proposed to act as hardness sensors in the 1960 s and stiffness sensors in the 1990 s based on the contact impedance method.In this work, we point out that both multilayer and unimorph(or bimorph) piezoelectric actuators could act as stiffness/modulus sensors based on the principle of mechanical contact resonance. First, the practical design and the performance of a piezoelectric unimorph actuator–based stiffness sensor were presented. Then the working principle of piezoelectric multilayer actuator–based stiffness sensors was given and verified by numerical investigation. It was found that for these two types of resonance-based sensors, the shift of the resonance frequency due to contact is always positive, which is different from that of the contact impedance method. Further comparative sensitivity study indicated that the unimorph actuator–based stiffness sensor is very suitable for measurement on soft materials, whereas the multilayer actuator–based sensor is more suitable for hard materials.     

基于动能定理的火炮炮闩系统冲击试验台设计

针对火炮射击条件下炮闩系统性能数据测量困难,提出将炮闩系统单独出来建立系统冲击试验台进行分析研究的思路。在确定了试验台设计原理的前提下,通过对自动开闩虚拟样机模型进行改进,建立了试验台原理模型。依据动能定理,确定了炮闩系统冲击试验台实现开闩所需的最小开闩力。在最小开闩力下,基于试验台原理模型分别对开闩板质量取初始值m、10m、50m、100m时进行模拟实验,结果表明:4种工况下皆未实现开闩,但随着开闩板质量的增加,外力做功损失的能量越小,曲柄转过角度越大,越容易实现开闩。研究结果可为试验台建立提供理论支撑。     

基于反激变压器的压电振动能量双向操控技术

压电材料因其具有良好的机电耦合特性, 在振动能量俘获和结构振动控制领域有着良好的应用前景. 基于同步开关和电感的压电元件接口控制电路, 可以通过振荡电路工作原理调节压电元件的电压幅值和相位, 优化压电振动系统的机电能量转化. 优化型同步电荷提取技术即基于上述接口控制电路实现了压电振动能到电能的高效转换. 本文提出了一种衍生于优化型同步电荷提取电路的压电阻尼半主动控制电路, 借鉴反激变压器的原、副边能量转换特性, 实现了压电振动控制系统从电能到机械能的能量操控, 进而达到结构振动抑制的效果. 至此, 结合了压电电荷能提取与压电阻尼半主动控制技术的新电路, 以反激变压器为核心实现了压电振动能量的双向操纵. 论文首先介绍了相应的控制电路及工作原理, 推导了新型同步开关阻尼技术下的结构的振动阻尼比模型, 搭建了压电悬臂梁振动控制实验平台, 最终通过实验验证了理论模型, 并使用更简单的控制方法解决了振动控制系统的稳定性问题.      

面内压电振动能量采集动力学设计与性能研究

压电振动能量采集将环境中普遍存在的机械能转换为电能，可以实现自供能传感、控制与驱动，具备灵活、节能环保、可持续的优势，具有广阔的应用前景。为了促进压电振动能量采集器件的集成与融合，提出面内压电振动能量采集，将压电振动能量采集器进行扁平化设计，使其在二维平面内采集振动能量，在保证较大功率输出下能够显著减小器件所需三维空间。为了提高输出功率与工作频宽，设计了具有双稳态与力放大机制的面内压电振动能量采集器。考虑弯张小变形，通过能量法建立了面内压电振动能量采集器的机电耦合动力学模型。分析了关键设计参数对面内压电振动能量采集器性能的影响。数值仿真了面内压电振动能量采集器在简谐激励下的俘能性能，结果表明，通过合理的设计，面内压电振动能量采集器可以低频、宽频弱激励下有效俘获能量。面内压电振动能量采集设计方法有利于推动便携式、可穿戴式自供能等方面的应用和产业化。     

Design and dynamic performance research of MR hydro-pneumatic spring based on multi-physics coupling model

Aiming at the problem that the damping coefficient of the traditional hydro-pneumatic spring cannot be adjusted in real-time, the magnetorheological (MR) damping technology was introduced into the traditional hydro-pneumatic spring with single gas chamber. A new shear-valve mode MR hydro-pneumatic spring was proposed. And its dynamic performance was analyzed based on multi-physical coupling simulation and mechanical property test. Firstly, a structural scheme of MR hydro-pneumatic suspension was proposed to ensure the original height adjustment function based on the working principle of traditional hydro-pneumatic suspension with single gas chamber. Secondly, based on the design requirements, the parameter of MR hydro-pneumatic spring damping structure was designed by using MR damper design method. Thirdly, the multi-physical coupling dynamic performance of the MR hydro-pneumatic spring damping structure was analyzed based on the electromagnetic field analysis theory, flow field analysis theory and thermal field analysis theory. The analysis results showed that the designed MR hydro-pneumatic spring has reasonable magnetic circuit structure and excellent working performance. Then, the mechanical properties of MR hydro-pneumatic spring were tested. The results showed that the maximum damping force can reach 20 kN, and the dynamic adjustable multiple can reach 6.4 times. It has good controllability and meets the design requirements. Finally, a nonlinear model of MR hydro-pneumatic spring was established based on the elastic force calculation model of the gas and the Bouc–Wen model. The simulation results of the established model agree well with the experimental results, which can accurately describe the dynamic properties of the hydro-pneumatic spring. The proposed design and modeling method of the MR hydro-pneumatic spring can provide a theoretical basis for the related vibration damping devices.

     

A Motion Amplifier Using an Axially Driven Buckling Beam: I. Design and Experiments

For active materials such as piezoelectric stacks, which produce large force and small displacement, motion amplification mechanisms are often necessary – not simply to trade force for displacement, but to increase the output work transferred through a compliant structure. Here, a new concept for obtaining large rotations from small linear displacements produced by a piezoelectric stack is proposed and analyzed. The concept uses elastic (buckling) and dynamic instabilities of an axially driven buckling beam. The optimal design of the buckling beam end conditions was determined from a static analysis of the system using Euler's elastica theory. This analysis was verified experimentally. A stack-driven, buckling beam prototype actuator consisting of a pre-compressed PZT stack (140 mm long, 10 mm diameter) and a thin steel beam (60 mm× 12 mm× 0.508 mm) was constructed. The buckling beam served as the motion amplifier, while the PZT stack provided the actuation. The experimental setup, measuring instrumentation and method, the beam pre-loading condition, and the excitation are fully described in the paper. Frequency responses of the system for three pre-loading levels and three stack driving amplitudes were obtained. A maximum 16^∘ peak-to-peak rotation was measured when the stack was driven at an amplitude of 325 V and frequency of 39 Hz. The effects of beam pre-load were also studied.     

压电智能桁架的灵敏度分析与优化设计

在压电桁架结构的有限元分析方法基础上，考虑电荷载和机械荷载联合作用的机电耦合效应，给出了压电智能桁架的位移和自振频率对常规尺寸设计变量和形状设计变量的灵敏度计算公式，增加了电压这一类新的设计变量，给出了位移对电压的灵敏度计算方法。在此基础上实现了通过优化压电主动桁架的电压进行变形控制的方法，并在JIFEX软件中实现了压电桁架的灵敏度分析与优化设计。文中给出的数值算例验证了算法和程序的有效性。     

Optimum design and sensitivity analysis of piezoelectric truss structures

This paper is concerned with the optimum design and sensitivity analysis methods of piezoelectric intelligent trusses on the structural stiffness and free-vibration frequency. On the basis of the finite element method and taking into account the mechanical-electric coupling effect under electric load and mechanical load, the computational formula of sensitivities of structural displacement and free-vibration frequency with respect to the size and shape design variables are proposed. A new kind of design variable of the electric voltage and the calculating method of displacement sensitivity with respect to the electric voltage variable is presented. The new method for structural deformation control by optimizing the voltages of piezoelectric active bars is given. The numerical methods of optimum design and sensitivity analysis for piezoelectric truss structures are implemented in JIFEX software. Numerical examples demonstrate the effectiveness of the methods and the program. Project supported by the Special Funds for National Key Basic Research of China (No. G1999032805) and the Foundation for University Key Teachers by the Ministry of Education of China.     

含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振系统隔振性能分析

基于动力吸振器原理,在单自由度准零刚度隔振器基础上耦合可调频动力吸振器构成两自由度隔振系统。首先,对动力吸振器工作原理进行理论分析并提出其力学模型;其次,通过静力学分析,推导出系统满足零刚度条件时,各参数间的关系并分析其对系统刚度特性的影响;然后,建立两自由度隔振系统非线性动力学方程,利用谐波平衡法进行幅频响应解析分析,得到力传递率表达式;最后,数值分析动力吸振器阻尼、刚度、质量、激励力幅值和弹簧片有效长度对力传递率的影响规律,并与单自由度准零刚度隔振系统及两自由度线性隔振系统对比分析。结果表明：通过选择适当的动力吸振器参数不仅可以减小系统的起始隔振频率,增宽隔振频带,且还能加快系统力传递率在特定频段内的衰减速率,改善系统的低频隔振性能,实现激励频率的可适应性。